一个屁都不如的推力，却能把星链卫星加速到30000公里每小时

离子推进器是什么样的呢？是火箭引擎的这种吗？是太空电影里面这种喷气调整姿态的这种吗？都不是，离子推进器的推进力非常非常非常小，小到什么程度，比如说人放屁是有推进力的，只不过推进力很小几乎可以忽略不计，但是比一个屁还要小几十、几百倍的力这种微乎其微的推进力，正是星链卫星的氪离子推进器「krypton ion thruster」产生的推进力，有不少地区已经开通了商用星链计划，其全貌正在一步一步的展开我认为Elon Musk的星链计划，是改变世界的一个壮举，卫星网络要实现的是天基互联抛开国家和政治因素，单从技术上来讲，星链计划的愿景是非常宏大的，所有人类都将会是直接或者是间接的获益者，我们很有幸生活在技术爆炸的年代，可以见证很多人类发展史上的奇迹。

星链卫星采用的推进器是离子推进器跟现在的火箭引擎利用到燃烧的化学反应产生的能量有很大的差异最大的差异，就是推进力了化学火箭引擎利用燃料类似于爆燃的状态产生的气体喷射，产生出非常庞大的推进力来突破地球的引力，虽然说产生的推力很大，但是单从效率上来讲是非常低的两吨重的火箭其中运载卫星的重量，可能才占据很小的比例，反而燃料或者说推进剂重量占到了绝大多数的质量，也就是说一枚两吨重的火箭为了把几十公斤上百公斤的运载物品送上太空，可能一吨多的重量都是推进剂，已经都21世纪了，现在的火箭推进技术几乎跟几十年前没有区别，非常的原始计算机科学的发展已经到了用显微镜才能看清的尺度上通过光刻把晶体管能雕成一座城市一样复杂，人类对于外太空的探索在科技树上依然没有太长足的发展，现在的火箭推进技术从原理上来讲 跟我们小时候玩的窜天猴没有任何区别，实在是非常原始但是没办法，除了用这种近似爆炸的化学燃料爆燃产生的气体推进之外，人类暂时还没有掌握其他方式能够产生那么大的推进力，现在宇宙电梯技术还远远没办法实现，只能依靠暴力原始的方式来完成人类向外太空扩张的第一步。

但是进入太空环境就不再需要考虑引力，所以离子推进器的思路完全跟化学火箭推进引擎是相反的，相比短时间内能提供大量的推进力突破引力限制的火箭，引擎离子推进器需要考虑的是怎么样几个月甚至几年连续的提供推进力，不需要爆发性那么强，而且真空环境下不存在空气阻力，加速反而可以通过慢慢叠加来实现，所以离子推进器是目前为止人类掌握的最行之有效的太空环境下的推进器。刚好满足了近地轨道卫星对于推进器的需求，离子推进器的工作原理很简单，通过电离推进剂，然后通过电场力喷射离子，实现细水长流的推进效果所以也叫做电推原理上来讲其实依然遵循牛顿的第三定律，如果你想获得推进力就要往相反的方向扔东西，化学火箭靠的是喷射爆燃产生的气体，离子推进器喷射的是电离推进剂，比如说氙和氪之后产生的离子风，虽然说提供的推进力不大，但是每一个离子喷出的速度可以达到每秒接近100公里，同样都是遵循牛顿的第三定律，通过反向喷射来获取推进力，但是化学火箭喷射的气体的速度只有几公里，每秒推力虽然说很大，但是效率不高，喷个几分钟推进剂就喷光了，所以只适合飞行器突破地心引力离开地球的重力场，一旦进入外太空环境离子推进器虽然说

推力非常小，但是通过速度叠加，几天几个月甚至几年的时间能加速到非常可观的速度，离子推进器也是需要推进剂的，只不过把这些推进剂电离在分子原子的尺度上，把弹射离子出去的反作用力当做推进力，并且喷射的速度极快，推进剂的消耗和获得的速度的比率，也就是说效率就相当高了几公斤的推进剂可以让离子推进器连续工作几千小时，通过缓慢的速度叠加往往能让航空器飞行超过化学火箭推进器几万倍 甚至更大的里程。

总结一下，化学火箭引擎提供的是短时间内爆发式的大推力，离子推进器提供的是在没有重力和阻力的影响的太空环境下细水长流，不断叠加速度的推进方式。现在你看到的那些电影和游戏里面冒蓝火的那些宇宙战舰星际飞船之类的， 用的就是离子推进器星链卫星，能比一个屁的推力还要小的离子推进器主要有三个作用，第一就是让卫星维持一小时接近3万公里的速度，第二就是做姿态调整 避障，第三个就是调节轨道高度进入大气层自毁星链卫星不是对地静止，你可以理解为始终跟着地球上的一个点运行，无时不刻这颗卫星就在固定的位置星链卫星是非对地静止，也就是说星链卫星对于地面不是静止的，因为太靠近地球受到引力的影响需要依靠惯性产生的离心力维持，对地高度第一阶段的训练，卫星都部署在550公里的近地轨道上，第三阶段的几千颗星链卫星要部署在离地面更近的340公里的超近地轨道，所以地球引力对星链卫星的影响就是不可忽视的，因为如果星链卫星在这个高度做到对地静止，那么引力很快就会把星链卫星拉进大气层，所以要想维持在近地轨道上，卫星的速度就必须足够快，才有足够的离心力来跟地球的引力做一个平衡，那么为什么星链卫星不选择部署在距离更远一点 引力更小的远离地球的轨道的高度上？这样是不是就可以做到对地静止不需要推进器来维持高度了？轨道高度其实受限于电磁波通讯的限制想要低延迟的一些业务和服务，距离太远延迟就太高了，比如说传统的对地静止的通讯卫星都在至少35786公里远的轨道上才能做到仅靠惯性维持对地静止，一旦进入轨道高度维持当前的速度，就可以跟地球的自转同步了，做到始终都跟着地面上的一个点相对静止在没有阻力的太空环境，依靠惯性就可以保持恒定的速度跟着地球自转，保持对地静止也就几乎不需要推进器了，地球的引力对于卫星的运行速度的影响在这个距离几乎也可以忽略不计了，但是这个距离使得通讯延迟至少在几百毫秒以上很多年前的业务，比如说语音通话还可以忽略这么点延迟，但是现在的实际应用的需求，导致延迟对很多业务来讲已经不能满足需求了，星链卫星之所以要部署在几百公里的轨道，就是因为距离缩减了几十、几百倍，才能够实现几十毫秒的超低卫星通讯延迟，所以不管是星链的竞争对手铱星卫星「Iridium」，还是亚马逊的「Kuiper」，其实都计划部署卫星在近地轨道和超近地轨道就是为了减少通讯延迟，所以说现在并非只有星链卫星要覆盖在近地轨道，而是以后的通讯卫星为了满足覆盖范围和低延时通讯的硬性要求，不得不都部署在近地轨道和超近地轨道，这样一来卫星就必须高速飞行才能保持足够的离心力来跟引力对抗，除此之外在几百公里的近地轨道其实依然属于「散逸层」，地球的引力依然会拉住一部分稀薄的大气，稀薄到可能大气分子之间的距离有几米甚至上千米远，但是依然存在气体分子，这样就会导致卫星会有非常小的摩擦阻力，即使非常非常小但是对卫星依然有长期的影响。

如果卫星自己没有推进器，那么过很久以后速度就会逐渐丢失，然后惯性就会导致离心力越来越小，然后就会被地球的引力拉进大气层，为了抵抗大气分子的摩擦力，并且为了跟引力做出一个动态的平衡，需要推进器来维持高速飞行 。刚才说过了，为了追求通讯的低延时，现在的通讯卫星都不得不运转在几百公里的近地和超近地轨道，这个技术思路和演进方向已经是确定好了，大家请做好准备以后近地轨道上会布满各个公司，各个国家的通讯卫星数量级，现在这个阶段无法想象的那么以后可能数以万计，甚至几十万、上百万颗近地轨道通讯卫星必然就会造成交通问题，甚至可能会发生碰撞，这就要提离子推进器的第二个职能， 就是为了避障星链卫星会结合美国国防部和NASA的数据提前发动推进器来调整姿态躲避掉，已知的近地轨道的其他卫星和太空碎片，刚才说过了离子推进器并不能做到短时间内获得大量的推进力来实现类似于战斗机一样的高机动性能，所以只能借助美国国防部和NASA已统计到的一些比较大型的太空碎片的这些轨道数据，提前做出规避的机动离子推进器的推力。其实也是有优点的，那就是推力非常精细可控，特别适合姿态调整误差非常小，根据碎片的大小和速度星链卫星可能提前几分钟、甚至提前几天，就要通过离子推进器来实现规避动作躲避掉之后、又需要几分钟、甚至几天的时间通过推进器来回到之前的运转轨道上，这种细腻的操作反而特别适合离子推进器来实现。因为如果采用喷气式或者用这种化学燃料推进需要多次点火，效率低不说，还非常不容易控制，可能没躲几次推进剂就消耗光了，离子推进器可以长期运转，消耗推进剂极低，而且精准可控，不过加速慢也是离子推进器的一个缺点，如果说要躲避碰撞，需要推进器提前几分钟、几小时开始工作，才能完成躲避碰撞的机动，想要回到之前的轨道又需要一个长期并且缓慢的加速过程，对于那些有轨道数据的太空碎片还好，至于一些没有探测到的、非常小的太空碎片或者说临时出现的碎片，只能靠运气躲避了，不过在太空尺度上碰撞几率是非常小的，但是你要考虑到星链卫星可能达到几万个这种量级，这个问题确实不可以小看。卫星被太空碎片击中，如果说损坏了关键部件，可能会失去维持轨道高度的能力，在几天甚至几年的时间窗口内会被地球的引力慢慢拉进大气层，最后坠毁，这就说到了离子推进器的第三个作用了，就是用于主动，自毁按照设计星链卫星的寿命到了之后，需要通过推进器主动调节进入大气层的角度，自毁在无人区或者海洋，以防止造成伤人的事件因为离子推进器的推力很小，整个进入大气层自毁的过程可能会是几个月、甚至几年的时间，需要提前计算好轨道，卫星达到预期的寿命也分几种情况。第一种就是推进剂消耗光，卫星失去维持轨道高度的能力，这种情况下按照设计一般会在三五年左右出现，这种情况是无法避免的，因为按照这种设计星链卫星就算是一种消耗品。所以Starlink公司会一直持续****卫星，用新的卫星替换掉老卫星。第二种情况就是出现异常比如说自身出现故障或者说被太空碎片击中，这种情况下如果推

进器和控制单元还在正常运转，那么会跟第一种情况一样处理逻辑，会安排出一条进入大气层的轨道，在海洋或者无人区进行自毁，无论哪种情况星链卫星的自毁功能的设计就是为了通过大气层，然后烧毁实现的，不过Elon Musk之前说过95%以上的星链卫星的材料，会在进入大气层之后烧毁，但是还是会有些材料可能燃烧不全，有潜在的砸到地面的隐患，所以按照设计需要离子推进器提前安排好进入大气层的角度，尽量让卫星自毁在无人区或者海洋上空，不过考虑到星链卫星的数量级，谁能保证没个意外呢。毕竟高达突入大气层也经常发生偏离预设坠落点的情况，所以我感觉以后新闻搞不好哪天就报道有人被卫星燃烧不全的零件砸中的情况，而且极有可能就是离子推进器的某些部件，比如说应对于高温的推进器的喷口，就大概率没办法在大气层中被燃烧殆尽。

以上就是关于星链卫星离子推进器的一些我认为大家有必要了解的信息，如果说你对相关话题感兴趣也可以自己深入学习，比如说离子推进器也分很多类型 采用的推进剂也有差别星链卫星采用的是氪离子推进，不过「氙离子推进器」应用更早也更成熟星链卫星的推进器的氪离子腐蚀性比较强，比较容易腐蚀推进器喷口，但是为什么马斯克要用氪呢，就因为便宜，老马的思路就是这么简单粗暴，我跟你们分享几个特别有意思的，他做产品的思路。比如说传统通信卫星因为太远延迟就高，老马就跟手下的科学家说延迟要给我做到几十毫秒，于是就颠覆了传统几万公里远轨道的通讯卫星，出现了近地轨道和超近地轨道的星链卫星用于通讯卫星，因为贴近地表做不了太大的信号覆盖，老马就问手下家科学家多少颗卫星够覆盖，于是我们就发现他们要计划打几万颗上去，连「FCC」和「ITU」都跟着老马折腾过，修改过好几次国际标准，然后星链卫星有故障率和几年的寿命，老马大手一挥没关系，咱就一批一批的用咱自家的火箭送上去新的，替换掉老的，反正咱自家的火箭便宜，而且我现在就给你造运载能力更强的「星舰飞船」，老的卫星你给我计算好，要自己进入地球大气层销毁，别砸到花花草草和小朋友，还有老马的「Falcon 9」和星舰飞船老马就问，现在火箭的燃料这么贵你们有什么想法，科学家说甲烷便宜还无毒，老马索性就用了在普通超市都买得到的甲烷做火箭的燃料，你们看老马做产品就是这样的，非常直接简单粗暴甚至他的特斯拉汽车也是这个逻辑，传统燃油车要做什么传动杆 变速箱、齿轮、离合挂挡这些东西，电动车就是一个轮子接一个马达，底盘再铺上一层电池，跟我们小的时候玩的电动遥控车简直是一个逻辑。所以很多时候我们理解的颠覆传统行业思维的一些产品，其实就应该简单粗暴Elon Musk作为我们这一代杰出的梦想家，他的很多产品设计都是简单粗暴的逻辑，内燃机的汽车已经上百年历史了，结构简单的电力驱动的车其实早就应该普及了，我们从小就知道电动遥控玩具车要比燃油玩具车更便宜，但是直到马斯克的特斯拉才真的带动了行业的，推进火箭和星际飞船也是这个道理，从人类登月到现在也好几十年了，推进器的原理依然是能效极低的化学能，不过离子推进器在太空环境下更适合远距离的航行，这就是一个正确的方向，人类的通讯基础设施目前还是依靠陆地和海洋的光缆，马斯克想要通过卫星组建的网络，用电磁波通讯替换各种光缆和电线，也是一个无线化的发展方向，小米的无线充电技术还有毫米波用于视频图传，还有马斯克的星链卫星通讯其实都是想摆脱人对线的依赖，无线的的确确是未来的技术发展方向，人类的科技水平非常接近，指数级的增长在过去几十年发展取得的成果，远远超过了人类过去几千年的发展速度。

我们有幸身处在技术爆炸的年代，可以见证过去几代人完全不可以想象的技术演进，但是我们的科技树真的点对了吗，就好像Elon Musk说过的，人类已经想要探索外太空了，但是至今为止连月球基地都没有，这合理吗？这明显很不合理，我们生活中还有哪些技术和应用需要马斯克这样的人来推进和革新。其实有很多，比如说人类通过燃烧和煮沸水这种获取能源的方式，就很原始和落后，还比如说人类程序员写出来的代码，其中存在大量的BUG 注释，以及被砍掉的无效代码编译后的执行效率，也存在很大的提升空间，甚至很多程序员很多时候是通过误打误撞写出来的代码，实现了某些功能，也是这个行业的常态为什么不能让机器去写机器的语言。还比如说人类对外太空的探索其实远远比地球的海洋 甚至人类自身的基因、医疗。这些话题研究要深入很多，人类的科技发展已经到了爆炸式的发展的阶段了，举个大家身边的例子，就可以看得出来我们小的时候移动电话升级可能要几年甚至十年，就连游戏机也需要很多年才有升级的型号，到现在这个年代就太快了，手机已经变成了一年甚至半年一升级，就连游戏机、汽车之类的生活中的科技产品也出现了这个趋势，就连WiFi的技术规格的制定周期也缩短了，很多5G的通讯标准也比4G的通讯标准制定的更快，甚至5G现在还没有建设完成，6G的标准制定已经开始了。

可以预见到的是接下来的各种科技的演进，只会越来越快，我们的父辈都已经慢慢跟不上现在社会的技术的演进速度了，接下来会不会我们这一代人也会跟我们的父辈一样搞不懂最新技术的原理，玩不转最新的科技产品了，很有可能。不过我希望带着大家一起了解最新的技术。